催化劑劣化判斷系統及催化劑劣化判斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于判斷催化劑的劣化程度的系統，其中所述催化劑用于對未燃 燒的烴氣體進行氧化或吸附。
【背景技術】
[0002] 在現有技術中，關于汽車用的尾氣凈化系統的OBD(功能判斷），即關于在該系統中 用于判斷催化劑是否在正常工作的功能，以汽車廠商為核心，申請了數量眾多的專利，其大 部分采用尾氣溫度傳感器、氧傳感器、寬域氧濃度傳感器(λ傳感器）、Ν0χ傳感器、PM傳感器， 判斷對象為三效催化劑、氧化催化劑、NOx儲存催化劑、NOx選擇性還原催化劑、柴油煙灰捕 集過濾器(DPF)(例如，參照專利文獻1至專利文獻5)。
[0003] 另一方面，作為汽車尾氣檢測用的烴氣體傳感器(HC傳感器），研究開發了各種各 樣原理、類型的產品。例如，能夠選擇性地檢測出可以適用于沸石催化劑中NOx的凈化控制 的大分子量的HC(烴）的半導體型的HC傳感器已經被人們所公知(例如，參照專利文獻6)。作 為HC傳感器，其他的接觸燃燒型、氧濃度差檢測型、極限電流型、混合電位型的產品等被廣 泛所知，數量眾多的專利被申請，并在公歷2000年前后達到頂峰。
[0004]但卻是設想將這些HC傳感器主要用在搭載于理論當量比（空氣過剩率λ=1)燃燒 或稀薄燃燒(稀燃模式，λ>1)的汽油機的尾氣凈化裝置(TWC:三效催化劑，NSC = NOx儲存催化 劑)的凈化性能檢查或柴油發動機中未燃燒的烴噴射量的控制等中。 現有技術文獻 專利文獻
[0005] 專利文獻1:日本特開2001-263048號公報 專利文獻2:日本特開2005-240716號公報 專利文獻3:日本特開2012-036860號公報 專利文獻4:日本特開2012-241594號公報 專利文獻5:日本特開平7-103039號公報 專利文獻6:日本特許第2876793號公報
【發明內容】
發明所要解決的課題
[0006] 進入公歷2010年代，在北美加強了對尾氣的限制，在其中，針對柴油發動機車輛的 氧化催化劑的OBD在將來會義務化。具體來說，相對于柴油發動機用的氧化催化劑，在作為 柴油發動機的排氣氣氛的〇2 (氧）過剩氣氛下，有必要實施以匪HC (Nom Methane Hy droCarbon:非甲烷烴)為對象的OBD 〇
[0007] 但是，如專利文獻1至專利文獻5所公開的在使用現有技術中公知的傳感器方法的 情況下，存在無法應對這種OBD，或者僅僅能夠間接地進行判斷的問題。
[0008] 例如，專利文獻1中公開了利用如下關系性的方法，在氧化催化劑中未燃燒的烴的 變換(氧化燃燒)性能降低的情況下，發熱能量也降低。簡單來說，在配置于排氣路徑中的氧 化催化劑前后(上游側及下游側）的尾氣溫度傳感器上，測量燃料噴射時產生的溫度差ΛΤ， 根據該值來間接判斷氧化催化劑中未燃燒的烴的變換(氧化燃燒)性能的劣化程度。
[0009] 但是，在這種方法的情況下，存在實際使用時的尾氣溫度及尾氣流量的變化導致 誤差因子過大的問題、或用于促進發熱的燃料噴射量較大，從而無法避免燃料效率差的問 題。
[0010] 另外，專利文獻2中公開了利用如下情況的方法，在氧化催化劑中未燃燒的烴的變 換性能降低的情況下，氧化燃燒時的氧的消耗量會發生變化。簡單來說，基于配置在排氣路 徑中的氧化催化劑前后的兩個寬域氧濃度傳感器(λ傳感器)的輸出值AFJR的差Λλ或者兩 個氧傳感器的輸出值（電動勢值）的差，測量氧化催化劑中氧的消耗量，根據該值的變化來 間接判斷氧化催化劑上未燃燒的烴的變換性能的劣化程度。
[0011 ]但是，相對于O2過剩氣氛的柴油排氣中的氧濃度為10% ( = 1000 OOppm)的情況，氧 化催化劑所變換的（使其氧化燃燒)烴的量(濃度)通常為數百ppm，使這種微量的烴燃燒的 情況下所消耗的氧的量(濃度）只不過最多數百ppm。這種情況即意味著為了利用空燃比傳 感器或氧傳感器判斷氧化催化劑的劣化，需要精確地算出相當于ppm級的氧的消耗量變化 的Λλ或電動勢差，但原本在空燃比傳感器及氧傳感器上，無法獲得達到此程度的測量精 度。
[0012]另外，專利文獻3中公開了如下方法，關于對NO進行氧化制成NO2的氧化催化劑，在 排氣路徑上將NOx傳感器配置在該氧化催化劑的下游側，基于其輸出值（電動勢值)與預先 規定的圖，對氧化催化劑的劣化程度進行判定。
[0013]但是，通過這種方法即使能夠判斷氧化催化劑的NO氧化性能，但無法將這樣的判 斷結果適用于未燃燒的烴的變換(氧化燃燒)性能的判斷上。其原因在于，由于相對于各種 氣體(例如，HC、C0、N0等），貴金屬催化劑及吸藏材料的功能不同，因此各氣體中的尾氣溫度 與變換率(氧化性能）的關系也不相同，在它們之間不存在明確的相關性。
[0014]此外，由于將推斷值用于發動機剛排出的尾氣中的NOx值或者在設定這種推斷值 時，沒有考慮發動機轉速及發動機負載之外的要素等，因此可以知曉根據使用狀況也有推 斷精度顯著降低的可能性。
[0015] 另外，專利文獻4中公開了如下方法，將尾氣溫度傳感器與λ傳感器一并配置在氧 化催化劑的前后，基于從氧化催化劑在正常時的HC吸藏能量的推斷值得到的必要氧量與基 于傳感器的輸出值而計算的氧化催化劑實際消耗的氧的量即實際氧消耗量的推斷值，判斷 氧化催化劑的劣化程度。
[0016] 但是，這種方法僅僅不過是基于推斷值進行判斷，存在無法避免來自各傳感器的 信號的誤差的影響，判斷精度低的問題。
[0017] 另外，專利文獻5中公開了以汽油機的TWC或NSC為判斷對象的系統。在專利文獻5 中，對于O2過剩狀態下柴油排氣中的氧化催化劑判斷沒有做任何公開。
[0018] 本發明是鑒于上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠精確地對氧化催化劑 的劣化程度進行判斷的方法。 用于解決課題的技術方案
[0019] 為解決上述課題，第一方案是一種如下的對催化劑的劣化程度進行判斷的催化劑 劣化判斷系統，該催化劑設置在內燃機的排氣路徑上，對含有來自于所述內燃機的排氣中 所含的烴氣體及一氧化碳氣體的至少一者的對象氣體進行氧化或吸附，所述催化劑劣化判 斷系統的特征在于，具備： 溫度傳感器，其設置在所述排氣路徑中所述催化劑的上游側，且在所述上游側測量含 有所述對象氣體的所述排氣的溫度； 第一氣體傳感器，其設置在所述排氣路徑中所述催化劑的下游側，且在所述下游側檢 測所述對象氣體，并輸出與所述對象氣體的濃度相應的輸出值;以及 控制單元，其用于判斷所述催化劑的劣化， 規定的存儲部中保存有預先確定的閾值數據，所述閾值數據由對應于催化劑溫度的閾 值構成，所述閾值為用于催化劑劣化判斷的值， 所述控制單元至少基于所述第一氣體傳感器中的所述輸出值、根據所述溫度傳感器中 的測量值而確定的所述催化劑的溫度、及所述閾值數據中對應于該催化劑溫度的所述閾 值，對所述催化劑的劣化程度進行判斷。
[0020] 第二方案是根據第一方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，將所述催化 劑的上游側的所述對象氣體的濃度表示為Nu，將所述催化劑的下游側的所述對象氣體的濃 度表示為Nl時，將使用由變換率（％ ) = 100 X (Nu-Nl )/Nu的計算式定義的變換率作為指標 值，來表示所述催化劑中發生的氧化或吸附的程度，所述閾值是基于所述計算式而確定的。
[0021] 第三方案是根據第二方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，所述催化劑 中所容許的所述變換率的范圍即容許變換率范圍，是預先根據所述催化劑可取的溫度而確 定的，并且，在所述閾值數據中，針對所述催化劑的可取溫度，將通過把該溫度下所述容許 變換率范圍的下限值與進行所述催化劑的劣化判斷時所述催化劑的上游側所述對象氣體 可取的濃度范圍即上游側氣體濃度范圍的上限值代入所述計算式中所算出的所述Nl的值 規定為所述閾值，在基于所述第一氣體傳感器中的所述輸出值所確定的所述催化劑的下游 側的所述對象氣體的濃度為小于等于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑中沒有發生超 過容許的程度的劣化，在基于所述第一氣體傳感器中的所述輸出值所確定的所述催化劑的 下游側的所述對象氣體的濃度大于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑中發生了超過容 許程度的劣化。
[0022]第四方案是根據第二方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，所述內燃機 響應來自所述控制單元的噴射指示，能有意地生成含有濃度比所述內燃機處于穩定運轉狀 態時的所述對象氣體的濃度更高的對象氣體的判斷用氣體氣氛，所述催化劑中所容許的所 述變換率的范圍即容許變換率范圍，是預先根據所述催化劑可取的溫度及劣化判斷時所述 催化劑的上游側所述對象氣體可取的濃度范圍而確定的，并且，在所述閾值數據中，針對所 述催化劑的可取溫度，將通過把該溫度下所述容許變換率范圍的下限值與所述內燃機處于 穩定運轉狀態時所述催化劑的所述上游側所述對象氣體可取的濃度范圍即穩定時上游側 氣體濃度范圍的上限值代入所述計算式中所算出的所述Nl的值規定為第一所述閾值，并 且，將通過把該溫度下所述容許變換率范圍的下限值與所述判斷用氣體氣氛在所述上游側 可取的濃度范圍即判斷時上游側氣體濃度范圍的上限值代入所述計算式中而算出的所述 Nl的值規定為第二所述閾值， 可選擇性地實施如下的第一劣化判斷和第二劣化判斷中的一方或雙方： 所述第一劣化判斷，在所述內燃機處于穩定運轉狀態下的任意時點可實施，基于所述 第一氣體傳感器中的所述輸出值、根據所述溫度傳感器中的測量值所確定的該時點上所述 催化劑的溫度、及所述閾值數據所記錄的該催化劑的溫度下的所述第一所述閾值，來判斷 所述催化劑中的劣化程度;所述第二劣化判斷，在使所述判斷用氣體氣氛導入至所述催化 劑之后實施，基于在所述判斷用氣體從所述催化劑排出的時點上所述第一氣體傳感器中的 所述輸出值、根據所述溫度傳感器中的測量值所確定的所述判斷用氣體氣氛在導入時點上 所述催化劑的溫度、及與該時點上所述催化劑的溫度相對應的所述第二所述閾值，判斷所 述催化劑的劣化程度。
[0023]第五方案是根據第一至第四方案中的任一個所述的催化劑劣化判斷系統，其特征 在于，所述第一氣體傳感器是混合電位型烴氣體傳感器，所述混合電位型烴氣體傳感器的 檢測電極為Pt-Au合金電極，且所述檢測電極中的催化活性被失效。
[0024]第六方案是根據第一方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，所述催化劑 劣化判斷系統還具備第二氣體傳感器，該第二氣體傳感器設置在所述排氣路徑上所述催化 劑的上游側，用于在所述上游側檢測所述對象氣體，并輸出與所述對象氣體的濃度對應的 輸出值，所述控制單元基于所述第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器中的所述輸出值、 根據所述溫度傳感器中的測量值所確定的所述催化劑的溫度、及所述閾值數據中對應于該 催化劑溫度的所述閾值，判斷所述催化劑的劣化程度。
[0025] 第七方案是根據第六方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，將所述催化 劑的上游側的所述對象氣體的濃度表示為Nu，將所述催化劑的下游側的所述對象氣體的濃 度表示為Nl時，將使用變換率（％ ) = 100 X (Nu-Nl)/Nu的計算式定義的變換率作為指標值， 來表示所述催化劑中發生的氧化或吸附的程度，在此情況下，所述催化劑中所容許的所述 變換率的范圍即容許變換率范圍，是預先根據所述催化劑的可取溫度而確定的，并且，在所 述閾值數據中，針對所述催化劑的可取溫度，將該溫度下所述容許變換率范圍的下限值規 定為所述閾值，在基于所述第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器中的所述輸出值算出的 變換率小于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑中發生了超過容許的程度的劣化。
[0026] 第八方案是根據第六或第七方案所述的催化劑劣化判斷系統，其特征在于，所述 第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器是混合電位型的烴氣體傳感器，所述混合電位型烴 氣體傳感器的檢測電極為Pt-Au合金電極，且所述檢測電極中的催化活性被失效。
[0027] 第九方案是一種如下的催化劑劣化判斷方法，其用于對催化劑的劣化程度進行判 斷，該催化劑設置在內燃機的排氣路徑上，對含有來自于所述內燃機的排氣中所含的烴氣 體及一氧化碳氣體中的至少一者的對象氣體進行氧化或吸附，所述催化劑劣化判斷方法的 特征在于，實施如下工序： 閾值數據保存工序:將預先確定的閾值數據保存于規定的存儲部中，所述閾值數據由 對應于催化劑溫度的閾值構成，所述閾值為用于催化劑劣化判斷的值;溫度測量工序:在所 述排氣路徑的所述催化劑的上游側，通過溫度傳感器測量含有所述對象氣體的所述排氣的 溫度;第一氣體檢測工序:在所述排氣路徑的所述催化劑的下游側通過第一氣體傳感器檢 測所述對象氣體，并將與所述對象氣體的濃度相應的輸出值輸出；以及判斷工序:至少基于 所述第一氣體傳感器中的所述輸出值、基于所述溫度傳感器中的測量值所確定的所述催化 劑的溫度、及該催化劑的溫度下的所述閾值，判斷所述催化劑中的劣化程度。
[0028] 第十方案是根據第九方案所述的催化劑劣化判斷方法，其特征在于，將所述催化 劑的上游側的所述對象氣體的濃度表示為Nu，將所述催化劑的下游側的所述對象氣體的濃 度表示為Nl時，將使用變換率（％ ) = 100 X (Nu-Nl)/Nu的計算式定義的變換率作為指標值， 來表示所述催化劑中發生的氧化或吸附的程度，所述閾值是基于所述計算式而確定的。
[0029] 第十一方案是根據第十方案所述的催化劑劣化判斷方法，其特征在于，所述催化 劑中所容許的所述變換率的范圍即容許變換率范圍，是預先根據所述催化劑的可取溫度而 確定的，并且， 在所述閾值數據中，針對所述催化劑的可取溫度，將通過把該溫度下所述容許變換率 范圍的下限值、及進行所述催化劑的劣化判斷時在所述催化劑的上游側所述對象氣體可取 的濃度范圍即上游側氣體濃度范圍的上限值代入所述計算式中所算出的所述Nl的值規定 為所述閾值，在所述判斷工序中，在基于所述第一氣體傳感器中的所述輸出值而確定的所 述催化劑的下游側的所述對象氣體的濃度小于等于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑 中沒有發生超過容許的程度的劣化，在基于所述第一氣體傳感器中的所述輸出值而確定的 所述催化劑的下游側的所述對象氣體的濃度大于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑中 發生了超過容許的程度的劣化。
[0030] 第十二方案是根據第九方案所述的催化劑劣化判斷方法，其特征在于，所述催化 劑劣化判斷方法還包括第二氣體檢測工序，在所述排氣路徑的所述催化劑的上游側通過第 二氣體傳感器檢測所述對象氣體，并輸出與所述對象氣體的濃度相應的輸出值，基于所述 第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器中的所述輸出值、根據所述溫度傳感器中的測量值 而確定的所述催化劑的溫度、及該催化劑的溫度下的所述閾值，判斷所述催化劑的劣化程 度。
[0031] 第十三方案是根據第十二方案所述的催化劑劣化判斷方法，其特征在于，將所述 催化劑的上游側的所述對象氣體的濃度表示為Nu，將所述催化劑的下游側的所述對象氣體 的濃度表示為Nl時，在將使用變換率（％ ) = 100 X (Nu-Nl )/Nu的計算式定義的變換率作為 指標值，來表示所述催化劑中氧化或吸附的程度的情況下，所述催化劑中所容許的所述變 換率的范圍即容許變換率范圍，是預先根據所述催化劑的可取溫度而確定的，并且，在所述 閾值數據中，針對所述催化劑的可取溫度，將該溫度下所述容許變換率范圍的下限值規定 為所述閾值，在所述判斷工序中，在基于所述第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器中的 所述輸出值算出的變換率大于等于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑中沒有發生超過 容許程度的劣化，在基于所述第一氣體傳感器及所述第二氣體傳感器中的所述輸出值算出 的變換率小于所述閾值的情況下，判斷為所述催化劑發生了超過容許程度的劣化。
[0032] 第十四方案是根據第九至第十三方案中的任一個記述的催化劑劣化